Propagation d'une onde dans le vide

[mik2000]

Bonjour à tous,

Je me suis posé la question aujourd'hui de savoir comment une onde électromagnétique peut se propager dans le vide. Car une onde est un phénomène de propagation de proche en proche et je comprends bien qu'une onde électromagnétique puisse se propager dans un milieu avec des électrons ( ces derniers s excitent et se mettent en mouvement de proche en proche sous l effet du champ) mais comment cela peut il se produire si le milieu ne contient pas de porteurs de charges et à fortiori si le milieu est le vide ?

Merci d'avance
Mik
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[Gwinver]

Bonsoir.

Une onde électromagnétique n'est pas un phénomène qui se propage de proche en proche.
Les champs magnétiques et électriques n'ont pas besoin de support comme ce serait par exemple le cas pour une onde sonore.

[XK150]

Tentons un début de vulgarisation :

Les ondes électromagnétiques classiques impliquent des champs électriques et magnétiques qui se « nourrissent » mutuellement. Lorsque le champ électrique augmente ou diminue,
il donne naissance à un champ magnétique décroissant ou croissant. Les équations de Maxwell suffisent à montrer que l'on peut dériver une description ondulatoire du résultat.
On sait également que les charges électriques donnent naissance à des champs électriques et ces champs continuent d'exister même si les charges qui les ont créés disparaissent complètement !

Et un article de physique appliquée de cette propagation : https://www.cea.fr/comprendre/Pages/...en%20mouvement.

[Nekama]

Bonjour,

Je me suis posé la question aujourd'hui de savoir comment une onde électromagnétique peut se propager dans le vide.

L'impossibilité de mettre en évidence l'Ether qui aurait été le milieu "sur" lequel se propageaient les ondes électromagnétiques et la découverte de l'effet photoélectrique (et d'autres comme l'émission des rayons-X) ont sonné le glas du modèle ondulatoire en faveur du modèle corpusculaire.

La lumière et les différents phénomènes électromagnétiques sont le fait de photons. Tout comme une balle de fusil n'a pas besoin de milieu pour se propager, les photons n'ont pas besoin d'un support pour se propager dans le vide. La mécanique quantique a montré que les particules avaient toutes un comportement ondulatoire également, qui explique certaines propriété de la lumière et des autres phénomènes électromagnétiques.

Par contre, les équations de Maxwell sont des équations ondulatoires pour un modèle ondulatoire. Tout comme on néglige les frottements de l'air dans certaines applications, qu'on utile Newton et pas la relativité dans la plupart des problèmes de mécaniques, on continue d'utiliser les équations de Maxwell dans les problèmes d'électromagnétisme bien que le modèle soit défaillant par exemple pour expliquer la propagation électromagnétique dans le vide.

[A voir en vidéo sur Futura]

[GBo]

Bonjour,
L'impossibilité de mettre en évidence l'Ether qui aurait été le milieu "sur" lequel se propageaient les ondes électromagnétiques et la découverte de l'effet photoélectrique (et d'autres comme l'émission des rayons-X) ont sonné le glas du modèle ondulatoire en faveur du modèle corpusculaire.

Bonjour, c'est inexact, l'inexistence de l'éther n'a pas sonné le glas du modèle ondulatoire des ondes électromagnétiques puisque des expériences antérieures (Young) et ultérieures confortent ce modèle, et il est toujours d'actualité bien sûr (avec la dualité onde-corpuscule).
Cette inexistence de l'éther a sonné le glas d'un besoin de support pour la propagation de ces ondes.

[ThM55]

Oui c'est complètement faux. De plus les équations de Maxwell dans le vide subsistent en théorie quantique et rendent toujours compte de phénomènes ondulatoires et de phénomènes corpusculaires (le photon bien sûr). Mathématiquement, ce ne sont plus exactement les mêmes équations car, bien qu'elles aient la même forme, elles s'appliquent à des objets mathématiques qui, s'ils conservent certains aspects de la théorie de Maxwell (les propriétés d'invariance de Lorentz: vecteurs, tenseurs etc), en possèdent d'autres, radicalement différents: ce sont des opérateurs qui ne commutent pas entre eux et qui ne sont plus des fonctions au sens classique du terme (ce sont ce qu'on appelle des distributions, une notion plus générale). Une conséquence est qu'il existe des relations d'incertitude d’Heisenberg entre les composantes des champs mesurés dans un petit volume.

[Nekama]

Wow... C'est évidemment exact. C'est même assez basique...

La lumière (et les ondes électromagnétiques) ont bien entendu un comportement ondulatoire mais elles sont aussi un comportement corpusculaire.
Le modèle purement ondulatoire de Maxwell, et non corpusculaire est tombé à l'eau avec l'impossibilité de mettre en évidence l'Ether et avec la découverte de mécanismes comme l'effet photo-électrique...

Ce qui ne signifie pas qu'on ne l'utilise pas et qu'il soit faux dans son champ d'application.
Mais il ne faut pas chercher à faire expliquer par Maxwell de ce qu'il n'explique (la propagation dans le vide des "ondes" électromagnétiques sans ether).

[Nekama]

Cette inexistence de l'éther a sonné le glas d'un besoin de support pour la propagation de ces ondes.

Je note que ThM55 valide...

[gts2]

Le modèle purement ondulatoire de Maxwell, et non corpusculaire est tombé à l'eau avec l'impossibilité de mettre en évidence l'Ether.

Je ne crois pas : le problème de l'éther a été réglé par la relativité restreinte, donc un changement de cadre pour les équations de Maxwell qui étaient relativistes "en avance".

[ThM55]

Je note que ThM55 valide...

Il me semble qu'on m'a mal compris. Quand j'ai écrit que c'est faux, je parlais du message #4 de Nekama et je suis 100% d'accord avec le #5 de GBo. L'éther était un support mécanique hypothétique pour les ondes par une sorte d'analogie avec les ondes élastiques. Il aurait pu servir de référentiel par rapport auquel on pouvait détecter un mouvement par ses supposés effets sur la lumière. Echec, comme on le sait, ce qui a conduit Poincaré à énoncer le principe de relativité et Einstein à généraliser cela à toute la cinématique. Mais cela n'a pas signifié la fin de la description ondulatoire par les équations de Maxwell, bien au contraire. C'était d'ailleurs antérieur à l'électrodynamique quantique, dont les prémisses datent de 1925 avec le "drei Männer Arbeit" et la contribution de Pascual Jordan et qui n'a pas été déterminante dans cette histoire. La notion de quanta de lumière par Einstein en 1905 et ses relations liant l'émission stimulée et l'émission spontanée de 1917 étaient des intuitions brillantes qui ne remettaient pas du tout en cause les équations de Maxwell et leurs solutions ondulatoires. Il est d'ailleurs remarquable que les équations de Maxwell soient restées intactes jusqu'au niveau quantique (avec les modifications mathématiques que j'ai décrites). La notion d'onde pour la lumière n'est PAS remise en cause par la notion de photon, puisqu'on a des expériences d'interférences photon par photon.

[ThM55]

Voici un article sur une expérience d'interférence photon par photon qui montre clairement qu'on a affaire à une onde, même si on ne détecte que des "particules" (quel que soit le sens que l'on donne à ce mot): https://arxiv.org/html/2401.02351v1 .

Mais tout cela n'est qu'une digression inutile par rapport à la question initiale. La réponse a été donnée aux messages #2 et #3.

[titijoy3]

pour moi, c'est même la notion purement corpusculaire du photon qu'il faut remettre en cause..

aie, pas sur la tête.. aie !

[coussin]

De nombreux travaux ont montré qu'un photon ne pouvait pas être localisé dans l'espace (bien qu'il faille définir proprement la notion de "localisation" dans ce cas).
Il est alors étonnant que la notion de corpuscule de lumière subsiste tant (si on prend "corpuscule" comme "localisé dans une petite région de l'espace")...

[ThM55]

Rien d'étonnant, de multiples expériences montrent aussi un comportement corpusculaire. Encore faut-il s'entendre sur le terme corpusculaire qui n'est évidemment pas la vision naïve qu'on a quand on parle de grains de sable. Dans la théorie rien ne limite la localisation dans l'espace dual des énergie-impulsion. Quand on propage un état à un photon vers un beam splitter, le photon n'est détecté que dans une seule des branches. Pourquoi ne pas se documenter, par exemple en lisant un bon texte sur l'optique quantique?

Par exemple celui d'Aspect et Grynberg.

[GBo]

@coussin : l'effet photoélectrique bien connu montre pourtant la nature corpusculaire de la lumière (qui est AUSSI une onde EM comme mis en évidence par d'autres expériences), pour te lire souvent sur ce forum je suppose que tu le sais mieux que moi:

https://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_...C3%A9lectrique

[Nekama]

Je ne crois pas : le problème de l'éther a été réglé par la relativité restreinte, donc un changement de cadre pour les équations de Maxwell qui étaient relativistes "en avance".

J'avais écrit : "Le modèle purement ondulatoire de Maxwell, et non corpusculaire est tombé à l'eau avec l'impossibilité de mettre en évidence l'Ether et avec la découverte de mécanismes comme l'effet photo-électrique...". Il n'y avait pas de point dans ma phrase que tu cites mal.

Au début du XIXe, il y avait deux modèles : un ondulatoire et un corpusculaire.

En formalisant les équations de l'électricité et du magnétisme Maxwell a pu mettre en évidence les équations de propagandes des ondes électromagnétiques, ce qui vu la qualité des modèle a sonné le glas du modèle corpusculaire.

Il restait deux soucis : le non respect de la relativité galiléenne et le problème du milieu pour la propagation de ces ondes et qui postulait l'existence de l'Ether.

Cet Ether n'a pas pu être mis en évidence, ce qui est un problème pour le modèle ondulatoire.

Et la relativité restreinte a résolu les paradoxes liées à la non covariance galiléenne des équations de Maxwell et la non nécessité d'un Ether.

Avec l'effet photo-électrique qui démontre la quantification de l'énergie, le rayonnement du corps noir, puis le modèle de Bohr qui l'illustre au niveau de la matière, est apparu la mécanique quantique et la dualité onde-corpuscule.

On a donc bien que "le modèle purement ondulatoire de Maxwell, et non corpusculaire est tombé à l'eau avec l'impossibilité de mettre en évidence l'Ether et avec la découverte de mécanismes comme l'effet photo-électrique..."

Et il est incorrect de dire que le modèle ou les équations de Maxwell expliquent la propagation des "ondes" électromagnétiques "dans le vide" parce que les champs s'auto-alimenteraient.

Les photons, qui sont les particules [sic] médiatrices de l'interaction électromagnétiques n'ont pas besoin d'un milieu pour se propager.

[gts2]

Bonjour,

"Il est incorrect de dire que ... les équations de Maxwell expliquent la propagation des "ondes" électromagnétiques "dans le vide" parce que les champs s'auto-alimenteraient."

Pourriez-vous préciser ?
Tout est peut-être dans le "expliquent" ?
Parce que sinon, les équations de Maxwell dans le vide conduisent bien à la loi de propagation.

[Nekama]

Bonjour, c'est inexact, l'inexistence de l'éther n'a pas sonné le glas du modèle ondulatoire des ondes électromagnétiques puisque des expériences antérieures (Young) et ultérieures confortent ce modèle, et il est toujours d'actualité bien sûr (avec la dualité onde-corpuscule).
Cette inexistence de l'éther a sonné le glas d'un besoin de support pour la propagation de ces ondes.

C'est un peu près ce que je disais. Il suffit de se mettre d'accord sur la notion de "glas" et j'ai pourtant pris quelques exemples pour m'en expliquer. Les expériences de Young n'ont pas besoin des "ondes électromagnétiques" pour s'expliquer, elles sont besoin que l'échelle de l'expérience soient telles que la dualité onde-corpuscule puisse être mise en évidence au niveau macroscopique. C'est Germer ou Jonsson.

Par contre non, l'inexistence de l'éther n'a jamais sonné le glas du besoin de support pour la propagation d'une onde vu que par définition : "En physique ondulatoire, la propagation d'une onde correspond au déplacement spatial de la perturbation du milieu engendrée par une onde. Sa direction est par définition celle du flux d'énergie que transporte l'onde."

[GBo]

Par contre non, l'inexistence de l'éther n'a jamais sonné le glas du besoin de support pour la propagation d'une onde vu que par définition [...]

Tu déformes ce que j'ai écrit, j'ai écrit "[...] des ondes électromagnétiques [...]. Cette inexistence de l'éther a sonné le glas d'un besoin de support pour la propagation de ces ondes".
https://forums.futura-sciences.com/p...ml#post7276578

[Nekama]

Parce que sinon, les équations de Maxwell dans le vide conduisent bien à la loi de propagation.

Mathématiquement le développement des équations de Maxwell donne une loi de propagation des ondes électromagnétiques dans leur milieu avec v = 1/sqrt(eps mu).

Ce qui était absolument remarquable.

Physiquement, une onde a besoin d'un milieu de propagation.

Les équations de Maxwell s'extrapolent dans le vide en lui attribuant des propriétés eps_o et mu_o et même une impédance.

On pourrait se demander pourquoi dans le verre il y a interaction avec la matière et brusquement dans le vide interaction avec "rien" qui a des propriétés (8,9 pF/m par exemple).

Cette caractéristique paradoxale a d'ailleurs suscité des débats au XIXe, qui allaient dans le sens de l'existence de l'Ether (mais qui s'est avéré fausse).

L'Ether n'était pas là que pour fournir un référentiel mathématique. Il a aussi eu des motivations physique à l'introduire.

[Nekama]

Tu déformes ce que j'ai écrit, j'ai écrit "[...] des ondes électromagnétiques [...]. Cette inexistence de l'éther a sonné le glas d'un besoin de support pour la propagation de ces ondes".
https://forums.futura-sciences.com/p...ml#post7276578

Ca ne change rien...

Toutes les ondes ont besoin d'un support. C'est la définition même d'une onde qui traduit la propagation d'une déformation du milieu qui la porte. Les "ondes" elm comme les autres.
(Et c'était bien tout le questionnement dans le post initial.)

C'est peut être la seule différence entre ce que nous disons chacun.

Tu dis que les ondes électromagnétique sont des ondes mais qui n'ont pas besoin d'un support.
Je dis que les interactions électromagnétiques n'est le fait d'ondes mais de photons qui n'ont pas besoin de support et qui obéissent à la dualité onde-corpuscule.

Si tu veux mais la définition que tu vas donner d'une onde risque de ne pas être très orthodoxe.

[gts2]

Physiquement, une onde a besoin d'un milieu de propagation.

Pourquoi, ce n'est pas parce que les ondes acoustiques ont besoin d'un support que toutes les ondes devraient en avoir besoin.

Les équations de Maxwell s'extrapolent dans le vide en lui attribuant des propriétés eps_o et mu_o et même une impédance.

Pourquoi extrapoler ? Les équations de Maxwell sont vraies dans le vide et on peut retrouver les équations dans les milieux à partir des équations dans le vide.

On pourrait se demander pourquoi dans le verre il y a interaction avec la matière et brusquement dans le vide interaction avec "rien".

Cela s'explique très bien dans l'autre sens : on part de la propagation dans le vide et on explique en quoi l'interaction du champ avec les charges modifie la vitesse.

Cette caractéristique paradoxale a d'ailleurs suscité des débats au XIXe, qui allaient dans le sens de l'existence de l'Ether (mais qui s'est avéré fausse).
L'Ether n'était pas là que pour fournir un référentiel mathématique. Il a aussi eu des motivations physique à l'introduire.

Là, on part dans l'épistémologie (interdite ?) contexte de découverte vs. contexte de justification, on pourrait peut-être basculer vers le forum histoire des sciences ?

[ThM55]

Une fois de plus, quelqu'un intervient pour faire dévier le sujet (voir la question initiale) vers des considérations différentes. La question portait sur la présence d'un milieu permettant la propagation, les réponses #2 et #3 ont répondu. Pourquoi alors alors parler du modèle ondulatoire ou corpusculaire, de la dualité etc?

[GBo]

Une fois de plus, quelqu'un intervient pour faire dévier le sujet (voir la question initiale) vers des considérations différentes. La question portait sur la présence d'un milieu permettant la propagation, les réponses #2 et #3 ont répondu. Pourquoi alors alors parler du modèle ondulatoire ou corpusculaire, de la dualité etc?

Le titre parle quand même de la "Propagation d'une onde dans le vide", le premier post précise qu'il s'agit d'une onde EM.

Si j'ai bien compris, Nekama prétend qu'une onde EM n'est pas une onde, car elle peut se propager dans le vide justement, et que ça ne correspond pas à une certaine définition (vieillote pour ne pas dire obsolète) d'une onde.

[coussin]

Quand on propage un état à un photon vers un beam splitter, le photon n'est détecté que dans une seule des branches.

"Détecté" est le mot important ici.
Avant la détection, le photon est présent dans les deux branches, c'est une onde.
Ce qui donne une impression de "collapse" dans une des deux branches est le fait qu'un photon est un quantum. De ce fait, ile ne peut être détecté que d'une façon "binaire" dans une des deux branches.
Pareil avec l'image de la double fente qui se construit petit à petit, point par point sur l'écran. Cela est dû au fait qu'un photon, en tant que quantum, ne peut pas être "un peu détecté par plein d'atomes formant l'écran", ce qui donnerait une image diffuse. La granularité ici n'est pas le photon mais les atomes formant l'écran.

Pour l'effet photoélectrique, c'est un effet de quantification qui n'a rien à voir, à mon avis, avec un quelconque comportement corpusculaire... Si la lumière ne comporte que des photons d'une énergie insuffisante, peu importe l'intensité (le nombre de photons qu'on envoie) cette lumière ne créera pas de photoélectrons. C'est en contradiction avec une onde classique mais ça n'a rien à voir avec un corpuscule.

[Nekama]

N'hésitez pas à donner la définition votre définition d'une onde.
J'ai donné, sans la chercher, la définition qu'on trouver sur Wikipédia en 2025...

[Henrix]

Concernant l'inexistence de l'ether.
Quid des mystérieuses énergie et matière "noires" ?

[Nekama]

Pourquoi, ce n'est pas parce que les ondes acoustiques ont besoin d'un support que toutes les ondes devraient en avoir besoin.

Quelle est la définition ?

Pourquoi extrapoler ? Les équations de Maxwell sont vraies dans le vide et on peut retrouver les équations dans les milieux à partir des équations dans le vide.

Je n'extrapole pas. Je rappelle juste que le modèle de Maxwell a extrapoler les équations du magnétisme (avec des charges et des courants) à une situation où elles n'étaient pas présentes et que cela a donné lieu à un résultat inattendu et formidable, et vrai. Mais il a bien quitté le domaine de validité initial dans lequel elles étaient formulées. A raison vu que ça marchait. Et sauf que... avec les "sauf que" qui ont bouleversé la physique.

Cela s'explique très bien dans l'autre sens : on part de la propagation dans le vide et on explique en quoi l'interaction du champ avec les charges modifie la vitesse.

Je ne suis pas sur de comprendre ce que tu veux dire. En tout cas, ce n'est pas dans ce sens là qu'il a travaillé.

Là, on part dans l'épistémologie (interdite ?) contexte de découverte vs. contexte de justification, on pourrait peut-être basculer vers le forum histoire des sciences ?

Ce n'est pas que de l'épistémologie car l'epistémologie ici permet de bien comprendre les limites du modèle. Quelle est la définition d'une onde ?

[Nekama]

"Détecté" est le mot important ici.
Avant la détection, le photon est présent dans les deux branches, c'est une onde.

Je ne pense pas... Le photon n'est pas une onde, pas plus que l'électron dans l'expérience analogue.

Les particules élémentaires ont une *fonction d'onde* qui leur est attachée et qui permet de traduire leur *comportement* ondulatoire au travers des équations de la mécanique quantique.

Les mots n'ont pas été choisi au hasard.

[coussin]

Tout à fait mais un photon n'est pas une particule fondamentale comme les autres.
Sans rentrer dans les détails, il est difficile (voire impossible...) de définir proprement une fonction d'onde pour un photon. Un photon n'obéit pas à l'équation de Schrödinger mais aux équations de Maxwell. Ce qui ressemble le plus à sa "fonction d'onde" est donc la distributions de champs EM donnée par les équations de Maxwell et celles-ci sont bien des équations d'ondes (en prenant le rot du rot).